多场耦合作用下磁流变液特性实验及理论的研究

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1、ExperimentalandTheoreticalInvestigationtoConstitutiveBehaviorofMagnetorheologicalFluidsinCoupledMultifieldsAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringByTigerSunSupervisedbyProf.XianghePengSpecialty:EngineeringMechanicsCollegeo

2、fResourcesandEnvironmentalScienceChongqingUniversity,Chongqing,ChinaNovember,2013中文摘要摘要磁流变液作为一种智能材料，自1948年美国学者Rabinow首次发明以来，深受工业界和学术界的广泛关注。随着科技的发展，人类社会的进步，磁流变液的发展也越来越精细。但是磁流变液的实验研究尚不系统和充分，尤其是能虑及外加磁场大小、磁性颗粒类别、磁性颗粒体积分数、温度、载液的种类及体积分数、添加剂的种类及体积分数等因素的实验更是稀少。而理论研究工作的深入进展离不开对磁流变液微结构的认识，尤其是磁流变液微结

3、构动态演化过程的定量分析和基于微结构实验结果的理论研究。鉴于磁流变液发展的迫切性和现状，本博士论文研究工作主要包括：1.从磁流变液微观动态观测入手，研制了一台磁流变液微观动态观测装置，不仅能观测到微米级时外加磁场作用下的磁流变液的微结构，并且能观测到微观结构的动态演化过程；2.针对定量分析温度、磁场强度和剪应变率等三类因素对磁流变液性能的影响，设计了一台水平式磁流变液测试设备，其主要指标为：①磁感应强度：0-1T，-1可连续调控；②剪应变率：0-1000s，可连续调控；③温度：室温～150˚C，可连续调控；④屈服剪应力测试最大量程0~160kPa；该装置的工作区域磁场分布

4、均匀、具有较高精度、操作轻便；3.制备了多组虑及磁性颗粒的类别及体积分数，载液材料及体积分数，添加剂的类别及体积分数等因素的磁流变液试样，用于实验和微结构动态观测；4.实验并分析了磁流变液屈服剪应力与外加磁感应强度，磁性颗粒材料及体积分数，剪应变率，温度，载液材料，添加剂材料及体积分数等相互作用下的实验结果及分析；得到了外加磁感应强度和剪应变率作用下的磁流变液表观粘度的变化；给出了磁流变液零场表观粘度及其与颗粒体积分数，剪应变率，温度，载液及添加剂等的关系；在抗沉降和凝聚的试验中，得到了时间，颗粒材料及体积分数，载液，添加剂等因素的影响；5.在实验的基础之上，发展了磁流变

5、液的微-宏观跨尺度理论模型，该模型通过对微结构的特性分析能很好的响应磁流变液的宏观力学行为，它不仅可用于实际问题的分析，对新型高性能磁流变液材料的设计亦具有重要的指导作用。关键词：磁流变液，制备，测试装置，微结构观察、力学特性实验，微-宏观本构模型I重庆大学博士学位论文II英文摘要ABSTRACTAsakindofimportantsmartmaterials,magnetorheologicalmaterialshavebeenreceivingincreasingattentionandachievingextensiveapplicationsinthepasttw

6、odecades.However,eithertheexperimentalorthetheoreticalinvestigationtotheconstitutivebehaviorofmagnetorheologicalfluids(MRFs)wasnotsufficientlysystematic,especiallyintheeffectsandthemechanismsofthemaininfluencingfactorsontheoverallconstitutivebehaviorMRF.Inthisdissertation,theeffectsofthem

7、aininfluencingfactorsonboththemicrostructuresandtheconstitutivebehaviorofMRFsareinvestigatedand,basedontheobservedmicrostructures,amicro-macroconstitutivemodelisdeveloped.Themaincontributionofthisdissertationislistedasfollows:1.Adeviceisdevelopedfortheobservationoft